(57)【要約】  装置(2)は、内燃機関(4)および逆ブレイトンサイクル熱機関(6)を備える。内燃機関(4)からの高温排気ガスが水を含む。高温排気ガスは、逆ブレイトンサイクル熱機関を駆動する。逆ブレイトンサイクルタービンと逆ブレイトンサイクル圧縮機との間の排気ガスの流路中の凝縮器(22)が、排気ガスに含まれる水の少なくとも一部を凝縮して凝縮水を形成する。この凝縮水は、再循環経路(30)を進むことにより、上述の熱機関の中の1つまたは複数の中に作動流体として再導入されるか、または機関をさらに加熱する。例えば凝縮水は、蒸気発生熱交換器(20)を使用して排気ガスにより加熱されて、蒸気を発生し、この蒸気が蒸気タービン(32)を駆動する。
2019502051.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
各自の熱機関サイクルを利用してそれぞれが動作する複数の熱機関であって、前記複数の熱機関の少なくとも1つが燃料を燃焼し、燃焼生成物として水を含む排気ガスを発生させ、前記複数の熱機関は、逆ブレイトンサイクル熱機関を備え、前記逆ブレイトンサイクル熱機関は、前記排気ガスにより駆動される逆ブレイトンサイクルタービンと、前記逆ブレイトンサイクルタービンから前記排気ガスを受け取って圧縮するために前記逆ブレイトンサイクルタービンにより駆動される逆ブレイトンサイクル圧縮機とを有する、複数の熱機関と、
前記逆ブレイトンサイクルタービンと前記逆ブレイトンサイクル圧縮機との間の前記排気ガスの流路中に位置する凝縮器であって、前記排気ガスに含まれる前記水の少なくとも一部を凝縮して凝縮水を形成する凝縮器と
を備える、装置。
【請求項２】
前記複数の熱機関のうち少なくとも1つの作動流体の少なくとも一部として、前記凝縮水の少なくとも一部を供給するための再循環経路を備える、請求項1に記載の装置。
【請求項３】
前記再循環経路は、前記逆ブレイトンサイクルタービンを駆動する吸気流体の一部として前記凝縮水の少なくとも一部を供給する、請求項2に記載の装置。
【請求項４】
前記複数の熱機関は、前記燃料を燃焼し前記排気ガスを発生させる内燃機関を備える、請求項1から3のいずれか一項に記載の装置。
【請求項５】
前記再循環経路は、前記内燃機関の熱機関サイクルの吸気流体の一部として前記凝縮水の少なくとも一部を供給する、請求項2および4に記載の装置。
【請求項６】
前記複数の熱機関は、蒸気駆動熱機関を備え、前記再循環経路は、蒸気発生熱交換器に前記凝縮水の少なくとも一部を供給して前記凝縮水に熱を伝達することにより、前記蒸気駆動熱機関を駆動するための蒸気を発生させる、請求項1から5のいずれか一項に記載の装置。
【請求項７】
前記蒸気駆動熱機関は蒸気タービンである、請求項6に記載の装置。
【請求項８】
前記蒸気発生熱交換器は、前記燃料の燃焼による熱を前記凝縮水に伝達する、請求項6または7に記載の装置。
【請求項９】
前記蒸気発生熱交換器は、前記逆ブレイトンサイクルタービンと前記逆ブレイトンサイクル圧縮機との間の排気ガスの前記流路を流れる前記排気ガスから前記凝縮水に熱を伝達する、請求項8に記載の装置。
【請求項１０】
前記蒸気駆動熱機関から出る排蒸気が、前記1つまたは複数の熱機関のうちの少なくとも1つの作動流体の少なくとも一部として供給される、請求項6から9のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１１】
前記排蒸気は、前記逆ブレイトンサイクルタービンと前記逆ブレイトンサイクル圧縮機との間を流れる前記排気ガス中に供給される、請求項10に記載の装置。
【請求項１２】
前記逆ブレイトンサイクルタービンおよび前記逆ブレイトンサイクル圧縮機は、共通の駆動シャフトに取り付けられる、請求項1から11のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１３】
前記共通の駆動シャフトは発電機を駆動する、請求項12に記載の装置。
【請求項１４】
前記蒸気駆動熱機関は、前記共通のシャフトに取り付けられる、請求項6から11のいずれか一項ならびに請求項12および13のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１５】
前記内燃機関は、前記共通のシャフトに取り付けられたターボチャージャ圧縮機およびターボチャージャタービンを有するターボチャージャを備える、請求項4および5のいずれか一項ならびに請求項12および13のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１６】
各自の熱機関サイクルを利用してそれぞれが動作する、熱を仕事に変換するための複数の熱機関手段であって、前記複数の熱機関手段の少なくとも1つが燃料を燃焼し、燃焼生成物として水を含む排気ガスを発生させ、前記複数の熱機関手段は、逆ブレイトンサイクル熱機関手段を備え、前記逆ブレイトンサイクル熱機関手段は、逆ブレイトンサイクルタービンから前記排気ガスを受け取って圧縮するための逆ブレイトンサイクル圧縮機手段を駆動するために、前記排気ガスにより駆動される逆ブレイトンサイクルタービン手段を有する、複数の熱機関手段と、
前記逆ブレイトンサイクルタービンと前記逆ブレイトンサイクル圧縮機との間の前記排気ガスの流路中に位置する凝縮器手段であって、前記排気ガスに含まれる前記水の少なくとも一部を凝縮して凝縮水を形成する凝縮器手段と
を備える、装置。
【請求項１７】
熱機関を動作させる方法であって、
少なくとも1つの熱機関内で燃料を燃焼し、燃焼生成物として水を含む排気ガスを発生させるステップと、
前記排気ガスを用いて逆ブレイトンサイクルタービンを駆動し、前記逆ブレイトンサイクルタービンを用いて逆ブレイトンサイクル圧縮機を駆動して前記逆ブレイトンサイクルタービンから前記排気ガスを受け取って圧縮するステップと、
前記逆ブレイトンサイクルタービンと前記逆ブレイトンサイクル圧縮機との間の前記排気ガスの流路中のある位置において、前記排気ガスに含まれる前記水の少なくとも一部を凝縮して凝縮水を形成するステップと
を含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、熱機関に関する。より詳細には、本開示は、逆ブレイトンサイクル熱機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
高温ガスによりタービンが駆動され、タービンと共通のシャフトを共有する圧縮機によりタービンからの排気ガスが圧縮される、逆ブレイトンサイクル熱機関を実現することが知られている。このようにすることで、高温ガス中の熱からエネルギーを抽出することができる。高温ガスからのエネルギー回収効率を上昇させる措置が有利である。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
本開示の少なくともいくつかの実施形態は、
各自の熱機関サイクルを利用してそれぞれが動作する複数の熱機関であって、前記複数の熱機関の少なくとも1つが燃料を燃焼し、燃焼生成物として水を含む排気ガスを発生させ、前記複数の熱機関が、逆ブレイトンサイクル熱機関を備え、この逆ブレイトンサイクル熱機関が、前記排気ガスにより駆動される逆ブレイトンサイクルタービンと、前記逆ブレイトンサイクルタービンから前記排気ガスを受け取って圧縮するために前記逆ブレイトンサイクルタービンにより駆動される逆ブレイトンサイクル圧縮機とを有する、複数の熱機関と、
前記逆ブレイトンサイクルタービンと前記逆ブレイトンサイクル圧縮機との間の前記排気ガスの流路中に位置する凝縮器であって、前記排気ガスに含まれる前記水の少なくとも一部を凝縮して凝縮水を形成する凝縮機と、を備える装置を提供する。
【０００４】
本技術は、ブレイトンサイクル熱機関を駆動する高温ガスが、別の熱機関内における燃料の燃焼の結果として得られる排気ガスである場合に、この排気ガスがしばしば燃焼生成物として水を含み得ることを認識したものである。逆ブレイトンサイクルタービンと逆ブレイトンサイクル圧縮機との間の排気ガスの流路中に凝縮器を設けて排気ガス内の水の少なくとも一部を凝縮することは、逆ブレイトンサイクル圧縮機を通る質量流量を減少させ、それにより排気ガスの排出のためにこの圧縮機がなす必要のある仕事量を減少させるという利点を有する。凝縮水は、より少ない所要仕事量で排出され得る。なぜならば、凝縮水の圧力を上昇させることは、逆ブレイトンサイクル圧縮機を使用して圧縮性排気ガスの圧力を上昇させることに比べて、凝縮水に固有の非圧縮性に起因してより少ないエネルギーで済むためである。
【０００５】
排気ガスから少なくとも一部の凝縮水(すなわち液体形態の水)を回収するために凝縮器を使用した場合には、本発明のいくつかの実施形態は、複数の熱機関のうちの少なくとも1つ(ほぼ)の作動流体の一部としてこの凝縮水の少なくとも一部を供給するため再循環経路を設け得る。これにより、これらの熱機関の動作効率を上昇させることが可能となる。
【０００６】
いくつかの例の実施形態では、再循環経路は、逆ブレイトンサイクルタービン自体を駆動する吸気流体の一部として凝縮水の少なくとも一部を供給し得る。これにより、凝縮器により排気ガスから水が凝縮され得る効率を改善させるように、逆ブレイトンサイクル熱機関を通過する排気ガス内の水の量が増加する。
【０００７】
他の例の実施形態では、上述のものとは別個にまたは上述のものとの組合せにおいてのいずれかで、複数の熱機関が、排気ガスを発生させるために燃料を燃焼する内燃機関を備える。かかるシステム内において、再循環経路は、内燃機関の熱機関サイクルの吸気流体の一部として凝縮水の少なくとも一部を供給し得る。これは、例えば吸気を冷却してその密度を上昇させる、および/または排気ガス中の望ましくない放出物レベルを低下させるなど、内燃機関の動作特徴を改善するために利用され得る。
【０００８】
さらに他の例の実施形態では、上記の特徴との組合せでまたは上記の特徴とは別個でのいずれかにおいて、複数の熱機関が、蒸気駆動熱機関を備え、この蒸気駆動熱機関が、再循環経路を有し、この再循環経路が、蒸気発生熱交換器に凝縮水の少なくとも一部を供給し、この蒸気発生熱交換器が、凝縮水に熱を伝達することにより蒸気を発生させ、さらにこの蒸気が蒸気駆動熱機関を駆動し得る。これにより、蒸気発生熱交換機は、作動流体として凝縮水を使用する蒸気駆動熱機関が熱を仕事へと変換するように、蒸気駆動熱機関との組合せで作動することが可能となる。
【０００９】
蒸気駆動熱機関は様々な異なる形態をとり得ることが理解されるであろうが、この使用に非常に適した1つの形態は、蒸気タービンである。
【００１０】
蒸気発生熱交換器は、凝縮水に様々な異なる供給源からの熱を伝達して蒸気を発生させて、蒸気駆動熱機関を駆動させ得るが、システムからの熱回収を改良したある特定の構成は、蒸気発生熱交換器が、排気ガスからの熱の抽出などにより、場合によっては逆ブレイトンサイクル熱機関のタービンと圧縮機との間を流れる流体内の凝縮水に燃料の燃焼による熱を伝達させる場合である。
【００１１】
いくつかの実施形態では、蒸気駆動熱機関から出る排蒸気は、周囲環境に直接排出され得ることが可能である。しかし、他の実施形態では、効率は、排蒸気が複数の熱機関のうちの少なくとも1つの作動流体の少なくとも一部として供給されると改善され得る。かかる排蒸気の経路設定により、蒸気駆動熱機関の効率が改善され得る、および/または受ける熱機関の効率もしくは他の性能特徴が改善され得る。
【００１２】
いくつかの例の実施形態では、排蒸気は、逆ブレイトンサイクルタービンと逆ブレイトンサイクル圧縮機との間を流れる排気ガス中に供給され得る。典型的には、逆ブレイトンサイクル熱機関内の流路中のこの箇所は、低圧(例えば大気圧未満)であり、蒸気駆動熱機関が動作し得る効率を上昇させる。
【００１３】
いくつかの例の実施形態では、逆ブレイトンサイクルタービンおよび逆ブレイトンサイクル圧縮機は、共通の駆動シャフトに取り付けられ得る。また、この共通のシャフトは、逆ブレイトンサイクル熱機関からエネルギーを回収するために発電機を駆動し得る。機械効率的な実装形態は、蒸気駆動熱機関もこの共通のシャフトに取り付けられるように構成され得る。これにより、所要の構成要素の個数が削減され、効率が上昇する。様々なタービン、圧縮機、および熱機関の適切な構成(例えば設計、回転速度、サイズ、慣性モーメント等)により、共通のシャフトの共有が容易化する。
【００１４】
内燃機関が逆ブレイトンサイクル熱機関との組合せで動作する実施形態では、内燃機関は、逆ブレイトンサイクル熱機関に加えて、やはり共通のシャフトに取り付けられたターボチャージャ圧縮機およびターボチャージャタービンを有するターボチャージャを備え、それにより構成要素の個数を削減し効率を上昇させてもよい。
【００１５】
本開示のさらなる実施形態は、
各自の熱機関サイクルを利用してそれぞれが動作する、熱を仕事に変換するための複数の熱機関手段であって、前記複数の熱機関手段の少なくとも1つが、燃料を燃焼し、燃焼生成物として水を含む排気ガスを発生させ、前記複数の熱機関手段が、逆ブレイトンサイクル熱機関手段を備え、この逆ブレイトンサイクル熱機関手段が、前記逆ブレイトンサイクルタービンから前記排気ガスを受け取って圧縮するための逆ブレイトンサイクル圧縮機手段を駆動するために、前記排気ガスにより駆動される逆ブレイトンサイクルタービン手段を有する、複数の熱機関手段と、
前記逆ブレイトンサイクルタービンと前記逆ブレイトンサイクル圧縮機との間の前記排気ガスの流路中に位置する凝縮器手段であって、前記排気ガスに含まれる前記水の少なくとも一部を凝縮して凝縮水を形成する凝縮器手段と、を備える装置を提供する。
【００１６】
本開示のさらなる実施形態は、熱機関を動作させる方法であって、
少なくとも1つの熱機関内で燃料を燃焼し、燃焼生成物として水を含む排気ガスを発生させるステップと、
前記排気ガスを用いて逆ブレイトンサイクルタービンを駆動し、前記逆ブレイトンサイクルタービンを用いて逆ブレイトンサイクル圧縮機を駆動して前記逆ブレイトンサイクルタービンから前記排気ガスを受け取って圧縮するステップと、
前記逆ブレイトンサイクルタービンと前記逆ブレイトンサイクル圧縮機との間の前記排気ガスの流路中のある位置において、前記排気ガスに含まれる前記水の少なくとも一部を凝縮して凝縮水を形成するステップと、を含む方法を提供する。
【００１７】
以下、添付の図面を参照として例示の実施形態を単なる例として説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】逆ブレイトンサイクル熱機関を含む複数の熱機関を有する第1の例の実施形態の概略図である。
【図２】逆ブレイトンサイクル熱機関を含む複数の熱機関を有する第2の例の実施形態の概略図である。
【図３】図1および図2の例の実施形態の動作を概略的に示す流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図1は、複数の熱機関を備える装置2を概略的に示す。これらの熱機関は、内燃機関4と、共通のシャフト12に取り付けられた逆ブレイトンサイクルタービン8および逆ブレイトンサイクル圧縮機10を備える逆ブレイトンサイクル熱機関6とを備える。内燃機関4は、ターボチャージャ圧縮機16およびターボチャージャタービン18を備えるターボチャージャ14を有する。動作時には、吸気が、ターボチャージャ圧縮機16により圧縮され、内燃機関4内で燃料と混合され、それにより内燃機関4を駆動すると共に、高温排気ガスを発生させ、排気ガスは、ターボチャージャタービン18を通過した後に逆ブレイトンサイクル熱機関6に進入する。ターボチャージャ圧縮機16およびターボチャージャタービン18は、共通のシャフト12に取り付けられ(およびシステム内におけるパーツ個数削減のために共通のパーツであることが可能である)、この共通のシャフト12は、逆ブレイトンサイクルタービン8および逆ブレイトンサイクル圧縮機10をさらに担持する。他の例の実施形態では、ターボチャージャおよび逆ブレイトンサイクル熱機関は、共通のシャフトを共有する必要はない。
【００２０】
逆ブレイトンサイクル熱機関6に進入する高温排気ガスは、内燃機関4による燃料(例えば石油、ディーゼル、LPG、LNG、またはそれらの組合せ)および空気の燃焼による燃焼生成物として水を含む。この排気ガスは、逆ブレイトンサイクルタービン8を駆動し、例えば大気圧未満などの減圧にてこの逆ブレイトンサイクルタービン8から出る。排出ガスは、逆ブレイトンサイクルタービン8と逆ブレイトンサイクル圧縮機10との間の流路に沿って進む。この流路は、蒸気発生熱交換器20および凝縮器22を通過する。凝縮器22は、排気ガスに含まれる水を凝縮して、凝縮水(すなわち液体の水)を形成する役割を果たす。分離機/ポンプ24が、排気ガスから凝縮水を分離し、排気ガスの圧力を上昇させ(液体の水が非圧縮性であることから比較的小さなエネルギーを利用して)、再循環経路30に凝縮水を供給する役割を果たす。凝縮水を含まない排気ガスは、質量流量が低い。凝縮水を含まない排気ガスは、逆ブレイトンサイクル圧縮機10を通過し、この逆ブレイトンサイクル圧縮機10は、排気ガスの圧力を例えば大気などに排出されてもよいレベルまで上昇させる。いくつかの実施形態では、凝縮水は、単に廃棄され、図1の実施形態のようには再循環されなくてもよい。
【００２１】
凝縮器22は、放熱器28により装置2の周囲の環境空気温度に実質的に対応する温度に維持された冷媒循環流26を供給される。冷媒循環流26は、再循環経路30から分離される。冷媒循環流26は、閉ループ経路(逆ブレイトンサイクルタービン8および逆ブレイトンサイクル圧縮機10を通る排気ガスが辿る流路内への開口を有さない)を形成する。
【００２２】
この例の実施形態では、分離機/ポンプ24からの再循環経路30は、蒸気発生熱交換器20に凝縮水を供給し、この蒸気発生熱交換器20では、凝縮水は、逆ブレイトンサイクル熱機関を通過する排気ガスによって加熱されて蒸気を発生する。この蒸気は、やはり共通のシャフト12に取り付けられた蒸気タービン32の形態の蒸気駆動熱機関を駆動する。蒸気タービン32からの排蒸気は、蒸気発生熱交換器20と凝縮器22との間を流れる排気ガスの流路内に排出される。蒸気タービンからのこの排蒸気は、例えば逆ブレイトンサイクルタービン8と逆ブレイトンサイクル圧縮機10との間の他の箇所などの、システムの他の箇所にて導入され得る。
【００２３】
動作時に、内燃機関4は、吸気と混合された燃料を燃焼してそこから仕事を抽出し、水を含む高温排気ガスを発生させる。逆ブレイトンサイクル熱機関6は、やはり共通のシャフト12に取り付けられた発電機34を駆動させるために利用される仕事を高温排気ガスから抽出する役割を果たす。さらに、凝縮器22は、排気ガスから水を抽出して凝縮水を形成し、蒸気発生熱交換器20が、熱エネルギーをこの凝縮水中に伝達することによって蒸気を発生させ、さらにこの蒸気が蒸気タービン32を駆動する。蒸気タービン32もまた、発電機34の駆動に寄与して電気エネルギーを発生させる。
【００２４】
図2は、複数の熱機関を備える、図1に示すものと同様の装置のさらなる例の実施形態を示す。この例の実施形態では、凝縮水用の再循環経路30は、さらなる熱交換器36をさらに通過し、この熱交換器36を使用することにより、内燃機関4の冷媒液体からの熱エネルギーが、凝縮水に伝達される。排気ガスからの凝縮水の分離は、例えば凝縮水遠心分離器24などの様々な方法で実現され得る。追加的にはまたは代替的には、凝縮器22の熱交換器は、分離を実現および/または強化するように形成されてもよい。さらに、蒸気発生熱交換器20は、蒸気タービン32を駆動する蒸気を発生させるためにこの凝縮水を加熱する。蒸気タービン32からの排蒸気(元は凝縮水であった)は、様々な異なる箇所へと再循環するものとして図示される。図1におけるように、排蒸気が送られ得る箇所の中の1つは、凝縮器22に進入する排気ガス流路内へのものである。代替的にまたは追加的に排蒸気が導入され得るさらなる箇所は、逆ブレイトンサイクルタービン8への吸気口である。排蒸気が代替的にまたは前述の箇所に対して追加的にこの流路内に再導入され得るさらなる箇所は、ターボチャージャ圧縮機16の吸気口である。したがって、再循環経路は、分離機/ポンプ24からさらなる熱交換器36および蒸気発生熱交換器20を通り蒸気タービン32まで進む。蒸気タービン32から、再循環経路は、上述の中の経路および逆ブレイトンサイクル圧縮機10の排気口に直接通じる経路を含む、様々な種々の経路を個別にまたは組み合わせて辿り得る。
【００２５】
いくつかの例の実施形態では、この設計は、共通のシャフトを使用し、排気ガスがターボチャージャタービン(逆ブレイトンサイクルタービンとしての役割を果たす)から熱交換器20、36および凝縮器22まで直接的に進むように逆ブレイトンサイクルタービン8を省くことによって簡略化されてもよい。
【００２６】
いくつかの実施形態では、蒸気タービン32および逆ブレイトンサイクルタービン8は、排気/蒸気混合型のタービンとして組み合わされてもよい。
【００２７】
いくつかの実施形態では、機関冷媒からの熱がより高い割合で利用され得るように、図2のシステムが、さらなる熱交換器36と内燃機関4からの冷媒回路との間にヒートポンプを備えるように修正されてもよい。追加的にはまたは代替的には、ヒートポンプは、環境冷媒供給源と凝縮器22との間に設けられてもよい。
【００２８】
図2は、ターボチャージャからどのぐらいの割合の排気ガスが逆ブレイトンサイクルタービン8に進むか、およびどのくらいの割合がバイパス路内に送られて大気に排気されるかを制御するための、動的ウェストゲートおよび制御装置を示す。図2のシステムは、内燃機関4に対するある特定の(例えば最大で30%までの)負荷において高効率にて動作するように設計され得る。内燃機関は逆ブレイトンサイクル熱機関を迂回するように仕向けられる。
【００２９】
図3は、図1および図2の例の実施形態の動作を概略的に示す流れ図である。実際には、図3に示すステップは並行して実施される点が理解されよう。ステップ38で、燃料および空気は、内燃機関4により燃焼されて水を含む排気ガスを発生させる。ステップ40で、逆ブレイトンサイクル熱機関は、内燃機関4からの高温排気ガスにより駆動されて、そこから仕事を抽出する。ステップ42で、水が、タービンと圧縮機との間において逆ブレイトンサイクル熱機関を通り流れる排気ガスから凝縮される。ステップ44で、液体状態の凝縮水が、加熱されて蒸気を発生し(場合によっては逆ブレイトンサイクル熱機関または別の熱源を通り流れる排気ガスを使用して)、その後、この蒸気が蒸気タービン32を駆動する。逆ブレイトンサイクル熱機関6および蒸気タービン32は共に、熱を力学的仕事に変換し、この仕事は、例えば発電機34を駆動する、ターボチャージャ14の駆動に寄与する、または装置2内で何らかの他の仕事を実施するために使用され得る。
【符号の説明】
【００３０】
2  装置
4  内燃機関
6  逆ブレイトンサイクル熱機関
8  逆ブレイトンサイクルタービン
10  逆ブレイトンサイクル圧縮機
12  共通のシャフト
14  ターボチャージャ
16  ターボチャージャ圧縮機
18  ターボチャージャタービン
20  蒸気発生熱交換器
22  凝縮器
24  分離機/ポンプ、凝縮水遠心分離器
26  冷媒循環流
28  放熱器
30  再循環経路
32  蒸気タービン
34  発電機
36  熱交換器
【図１】
2019502051.tif 000003
【図２】
2019502051.tif 000004
【図３】
2019502051.tif 000005
【国際調査報告】
2019502051.tif 000006
2019502051.tif 000007
2019502051.tif 000008